TERMODINAMICA APLICADA A LA REFRIGERACION Ciclos de refrigeración por compresión de vapores Termodinámica La Termodinámica es la ciencia que estudia la energía, sus transformaciones y su relación con los estados de la materia. Un sistema termodinámico puede ser un objeto, una cantidad de materia o una región seleccionada para el estudio, independizada del entorno, que pasan a ser sus límites. Ing. Roberto R. Aguiló Energía La energía tiene la capacidad para producir un efecto y puede distinguirse entre: Energía Almacenada Potencial, Cinética, Nuclear) Energía Trabajo) en (Interna, Química, Movimiento Ing. Roberto R. Aguiló (Calor, Propiedades Una propiedad de un sistema es una característica observable de este sistema. El estado de un sistema es definido por un listado de sus propiedades. Las propiedades termodinámicas mas comunes son: temperatura (T), presión (p) y volumen especifico (v) . Ing. Roberto R. Aguiló Propiedades Cada propiedad para un estado dado de una sustancia tiene un único valor y una propiedad siempre tiene el mismo valor para un determinado estado. Una sustancia pura tiene una composición química homogénea e invariable. Puede existir en mas de una fase, pero la composición química es la misma en todas las fases. Ing. Roberto R. Aguiló Presión Se define como la fuerza ejercida por unidad de área. La presión es una variable operacional fácilmente medible en un sistema de refrigeración. pabs = pman + patm Ing. Roberto R. Aguiló Temperatura Se puede definir como una medida del nivel de intensidad térmica (o energía) de un cuerpo. Podemos decir que si ponemos dos cuerpos en contacto y no se producen variaciones en los parámetros termodinámicos de ninguno de los dos cuerpos, los dos se hallan a la misma temperatura. Ing. Roberto R. Aguiló Volumen Específico Se define como el volumen ocupado por la unidad de masa de una sustancia o material. Se mide en m3/kg Es la inversa de la densidad. v = 1 /ρ ρ Ing. Roberto R. Aguiló Procesos y Ciclos Termodinámicos Un proceso es un cambio en el estado de la materia que se define por cualquier cambio en las propiedades del sistema. Un ciclo es un proceso o una serie de procesos donde el estado inicial del sistema coincide con el estado final Ing. Roberto R. Aguiló Primer Principio El primer principio de termodinámica es el conservación de la energía y puede decir que la energía no crea ni se destruye, solo transforma. Q=W+dU Ing. Roberto R. Aguiló la de se se se Entalpía Se define como la suma de la energía interna más el producto de la presión por el volumen específico. h=u+p.V Ing. Roberto R. Aguiló Entalpía La entalpía es una función de estado del fluido. Depende sólo de dicho estado sin importar la transformación que realizó para llegar a él. La entalpía es cálculos térmicos muy útil Ing. Roberto R. Aguiló para Entropía La entropía es también una función de estado y su valor no depende de la transformación que se realice. La variación de entropía al recorrer un ciclo reversible es igual a cero. Ing. Roberto R. Aguiló Segundo Principio El segundo principio de la termodinámica puede enunciarse diciendo que es imposible transformar la totalidad del calor Q, entregando el fluido que evoluciona en trabajo mecánico mediante cualquier máquina térmica. Otra forma de enunciarlo sería la establecida por Clausius que dice que es imposible transportar directa o indirectamente el calor de un cuerpo frío a un cuerpo caliente, a menos que haya simultáneamente entrega de trabajo o transporte de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. Ing. Roberto R. Aguiló Entropía Matemáticamente la entropía se representa como la razón de la cantidad de energía Q, que se intercambia al recorrer una transformación infinitesimal dl, y la temperatura absoluta a la que ocurre dicho intercambio. dS = dQ/T Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama Temperatura - Entropía Es un diagrama muy utilizado en termodinámica, especialmente para estudiar las evoluciones en máquinas térmicas La temperatura absoluta se ubica en el eje de ordenadas y la entropía en el eje de abscisas. Ing. Roberto R. Aguiló Ciclo de Refrigeración de Carnot Es un ciclo ideal Es el más eficiente de todos los ciclos posibles operando entre dos temperaturas dadas Ing. Roberto R. Aguiló Ciclo de Refrigeración de Carnot INTERCAMBIADOR DE ALTA TEMPERATURA DISPOSITIVO DE EXPANSION COMPRESOR INTERCAMBIADOR DE BAJA TEMPERATURA Ing. Roberto R. Aguiló Ciclo de Refrigeración de Carnot Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama Presión - Entalpía La presión y la entalpía son las coordenadas que se usan normalmente para representar gráficamente las propiedades de los refrigerantes. Se incluyen también curvas de temperatura, volumen especifico y entropía. Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama Presión - Entalpía Ing. Roberto R. Aguiló Temperatura de Saturación Es a la cual un fluido cambia de la fase líquida a la gaseosa y viceversa Para una determinada presión es la temperatura máxima que puede tener el líquido y la mínima que puede tener el vapor Es diferente para distintos fluidos, y para cada uno en particular varia considerablemente con la presión Ing. Roberto R. Aguiló Calor Latente de Ebullición Es la cantidad de energía que debe absorber un fluido para pasar de la fase líquida a la gaseosa Es diferente para distintos fluidos, y para cada uno en particular varia considerablemente con la presión Al aumentar la presión aumenta la temperatura de saturación del fluido y disminuye el calor latente de ebullición Ing. Roberto R. Aguiló Sobrecalentamiento Es el calor sensible del vapor Una vez que el fluido ha sido totalmente evaporado la energía que se le sigue entregando aumenta su temperatura sobre la de saturación Para una determinada presión, cuando la temperatura del vapor es mayor a la de saturación, se dice que el vapor esta sobrecalentado Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama p-h - Isotermas Son las líneas de temperatura constante Para su medición se usan distintas escalas Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama p-h Líneas de Título Se encuentran dentro de la curva campana. Indican cual es la proporción entre líquido y vapor. Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama p-h Isoentrópicas Son las líneas que unen los puntos con la misma entropía. Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama p-h - Isocoras Son las líneas que unen los puntos con el mismo volumen especifico. Ing. Roberto R. Aguiló Diagrama Presión - Entalpía Ing. Roberto R. Aguiló Ciclo de Refrigeración Ing. Roberto R. Aguiló Rendimiento Se define como rendimiento de un ciclo frigorífico a la razón entre el efecto refrigerante neto y el trabajo de compresión. Se lo conoce también como COP (coeficiente de performance) COP = E.R.N./ Wc Ing. Roberto R. Aguiló Ciclo de refrigeración Rendimiento Ing. Roberto R. Aguiló Ciclo de refrigeración Subenfriamiento Ing. Roberto R. Aguiló Rendimiento con subenfriamiento A mayor efecto refrigerante neto, permaneciendo el trabajo de compresión constante, mayor será el rendimiento. Si E.R.N.2 > E.R.N.1 Implica que aumenta el COP Ing. Roberto R. Aguiló Ciclo de refrigeración Sobrecalentamiento Ing. Roberto R. Aguiló Rendimiento con sobrecalentamiento A mayor trabajo de compresión, permaneciendo el efecto refrigerante neto, menor será el rendimiento. Si WC2 > WC1 Implica que disminuye el COP Ing. Roberto R. Aguiló Refrigeración y Acondicionamiento de Aire Tienen el mismo objetivo: enfriar una sustancia Comparten componentes similares en los equipos El principio de funcionamiento de ambos sistemas es mayormente el ciclo mecánico de compresión de vapores. Ing. Roberto R. Aguiló Refrigeración El campo de aplicaciones de refrigeración tiene temperaturas que cubren entre los 15°C y los -60°C mayoritariamente, para la evaporación y entre los 20°C y 50°C para la condensación. Ing. Roberto R. Aguiló Compresión en Doble Etapa Es una alternativa más compleja y más costosa, pero presenta una eficiencia mayor que la anterior. Ing. Roberto R. Aguiló Sistema Doble Etapa Ing. Roberto R. Aguiló Compresión en Doble Etapa La operación más eficiente del sistema se dará cuando la presión intermedia tome el siguiente valor: pi = (pcond x pevap) 0,5 Ing. Roberto R. Aguiló Comparación Ing. Roberto R. Aguiló Comparación Ciclos -30ºC / +30ºC Ciclo Subcrítico Presión bar psi Subcrítico Ing. R. R. Aguiló Entalpía Ciclo Transcrítico Presión bar psi Ing. R. R. Aguiló Entalpía